Panduan Suhu Penempaan: Julat Haba Optimum untuk Kerja Logam

Julat Suhu Optimum untuk Logam Biasa

Suhu penempaan mewakili julat haba tertentu di mana logam menjadi cukup plastik untuk dibentuk tanpa retak sambil mengekalkan integriti struktur. Untuk keluli karbon, julat penempaan yang ideal ialah 1095-1260°C (2000-2300°F) , manakala besi tempa berfungsi paling baik di 1040-1200°C (1900-2200°F) . Suhu ini membolehkan struktur kristal logam menyusun semula di bawah kuasa mekanikal, membolehkan tukang besi dan pekerja logam mencipta bentuk yang diingini dengan cekap.

Tingkap penempaan berbeza dengan ketara berdasarkan kdanungan karbon dan unsur pengaloian. Keluli karbon rendah (0.05-0.30% karbon) bertolak ansur dengan julat suhu yang lebih luas, manakala keluli karbon tinggi (0.60-1.50% karbon) memerlukan kawalan suhu yang lebih tepat untuk mengelakkan keretakan sempadan butiran atau penskalaan yang berlebihan.

Penunjuk Suhu Warna dan Penilaian Visual

Tukang besi tradisional bergantung pada warna sebagai penunjuk suhu utama, teknik yang terbukti tepat di dalamnya ±25°C apabila dilakukan oleh pengamal berpengalaman . Cahaya logam terhasil daripada sinaran benda hitam, dengan panjang gelombang tertentu mendominasi pada suhu yang berbeza. Kaedah ini kekal berharga walaupun di kedai moden yang dilengkapi dengan pyrometer, berfungsi sebagai alat pengesahan segera.

Spektrum Warna dan Suhu Sepadan

• Merah Samar (475-550°C / 885-1020°F): Kelihatan hanya dalam kegelapan, tidak sesuai untuk menempa kebanyakan keluli
• Merah Darah (550-650°C / 1020-1200°F): Suhu minimum untuk penyepuhlindapan, terlalu sejuk untuk penempaan yang cekap
• Merah Ceri Gelap (650-750°C / 1200-1380°F): Penempaan cahaya mungkin tetapi memerlukan daya yang ketara
• Merah Ceri Sederhana (750-815°C / 1380-1500°F): Baik untuk pas penamat pada keluli karbon tinggi
• Merah Ceri (815-900°C / 1500-1650°F): Suhu penempaan am yang sangat baik untuk kebanyakan keluli karbon
• Merah Ceri Cerah (900-1000°C / 1650-1830°F): Optimum untuk operasi penempaan berat
• Jingga (1000-1100°C / 1830-2010°F): Suhu permulaan yang sesuai untuk kebanyakan logam ferus
• Jingga Muda ke Kuning (1100-1200°C / 2010-2190°F): Suhu penempaan maksimum untuk keluli karbon
• Kuning ke Putih (1200-1300°C / 2190-2370°F): Mendekati suhu pembakaran, risiko kerosakan bijirin

Pencahayaan ambien mempengaruhi persepsi warna dengan ketara. Bengkel dengan pencahayaan terkawal pada 200-300 lux menyediakan keadaan terbaik untuk penilaian suhu visual yang tepat. Cahaya matahari langsung boleh menyebabkan warna di bawah oren terang tidak dapat dilihat, yang berpotensi membawa kepada penempaan sejuk dan kerosakan material.

Kaedah dan Peralatan Kawalan Suhu

Operasi penempaan moden menggunakan pelbagai strategi kawalan suhu untuk memastikan konsistensi dan kualiti. Pilihan kaedah bergantung pada volum pengeluaran, keperluan ketepatan, dan spesifikasi bahan.

Pemilihan Peralatan Pemanas

Tempa arang batu dan kok kekal popular di kedai-kedai kecil, yang mampu dicapai 1400°C (2550°F) dalam zon setempat , walaupun taburan suhu mungkin tidak sekata. Penempaan gas menggunakan propana atau gas asli menawarkan keseragaman suhu yang lebih baik, dengan reka bentuk penunu moden mencapai konsistensi ±15°C merentas zon pemanasan 300mm. Sistem pemanasan aruhan menyediakan kawalan yang paling tepat, memanaskan kawasan tertentu kepada suhu yang tepat di dalamnya ±5°C dalam persekitaran pengeluaran , dengan kadar pemanasan sehingga 1000°C seminit untuk komponen kecil.

Alat Pengukuran Suhu

• Termokopel Jenis K: Tepat dari 0-1260°C, masa tindak balas di bawah 1 saat, sesuai untuk pemantauan berterusan
• Pirometer Inframerah: Pengukuran bukan sentuhan sehingga 1600°C, memerlukan pelarasan emisitiviti (0.8-0.95 untuk keluli teroksida)
• Kamera Pengimejan Terma: Tunjukkan taburan suhu di seluruh bahan kerja, mengesan bintik sejuk sebelum menempa
• Krayon Penunjuk Suhu: Cairkan pada suhu tertentu (julat 150-1400°C), berguna untuk pengesahan pemanasan awal

Untuk komponen aeroangkasa atau automotif kritikal, pyrometer yang ditentukur dengan ketepatan ±0.3%. adalah wajib, dengan sijil penentukuran boleh dikesan mengikut piawaian kebangsaan yang diperlukan setiap enam bulan.

Kesan Suhu Penempaan yang Tidak Betul

Beroperasi di luar julat suhu yang sepatutnya menyebabkan kecacatan bahan serta-merta dan jangka panjang. Memahami akibat ini membantu mengelakkan kesilapan yang mahal dan pembaziran bahan.

Kerosakan Penempaan Sejuk

Penempaan di bawah julat suhu yang disyorkan menyebabkan logam itu mengalami pengerasan kerja yang berlebihan dan kemungkinan retak. Apabila keluli karbon dikerjakan di bawah 800°C (1470°F) , transformasi austenit-ke-perlit telah pun bermula, menjadikan bahan rapuh. Retakan permukaan muncul dahulu, biasanya 0.5-2mm dalam, yang boleh merambat melalui keseluruhan keratan rentas semasa kitaran pemanasan berikutnya. Jalur ricih dalaman berkembang, mencipta penumpu tegasan yang mengurangkan hayat keletihan dengan 40-60% dalam komponen siap .

Terlalu Panas dan Terbakar

Melebihi had suhu atas menyebabkan pertumbuhan bijirin dan penembusan pengoksidaan. Pada suhu di atas 1250°C (2280°F) untuk keluli karbon , bijirin austenit tumbuh secara eksponen, dengan saiz butiran dua kali ganda setiap peningkatan 50°C. Struktur butiran kasar ini tidak boleh ditapis sepenuhnya melalui rawatan haba seterusnya, mengurangkan keliatan secara kekal. Pembakaran berlaku apabila logam mencapai suhu hampir pepejal, menyebabkan oksigen menembusi sempadan butiran. Tidak seperti terlalu panas, pembakaran tidak dapat dipulihkan; bahan yang terjejas mesti dibuang, mewakili kerugian sepenuhnya.

Pembentukan Skala dan Dekarburisasi

Pada suhu penempaan, besi teroksida dengan cepat, membentuk skala pada kadar 0.1-0.5mm sejam pada 1150°C . Skala ini mewakili kehilangan bahan dan mencipta kecacatan permukaan. Lebih kritikal, permukaan asas kehilangan karbon melalui penyahkarbonan, menghasilkan lapisan kulit lembut sedalam 0.5-3mm yang menjejaskan tindak balas pengerasan. Atmosfera pelindung atau kitaran pemanasan pantas meminimumkan kesan ini, dengan pemanasan aruhan mengurangkan masa pendedahan sebanyak 75% berbanding dengan pemanasan relau .

Pengurusan Suhu Semasa Operasi Penempaan

Penempaan yang berjaya memerlukan mengekalkan bahan kerja dalam tetingkap suhu optimum sepanjang keseluruhan operasi. Suhu menurun dengan cepat semasa penempaan, dengan bahagian kecil hilang 50-100°C seminit apabila terdedah kepada udara ambien dan bersentuhan dengan acuan atau andas.

Pengiraan Kehilangan Haba dan Kekerapan Pemanasan Semula

Bar bulat berdiameter 25mm pada 1150°C kehilangan kira-kira 150°C dalam 30 saat pertama pendedahan udara, dengan kadar berkurangan apabila perbezaan suhu berkurangan. Sentuhan mati mempercepat kehilangan haba; keluli mati pada suhu bilik boleh diekstrak 200-300°C dari permukaan bahan kerja pada kenalan pertama. Tukang pandai besi yang berpengalaman mengembangkan deria intuitif untuk kekerapan pemanasan semula, tetapi penempaan pengeluaran menggunakan jadual berasaskan pengiraan.

Untuk jujukan penempaan biasa pada keluli karbon sederhana, aliran kerja berjalan seperti berikut:

1. Panaskan hingga 1150°C (ceri cerah kepada oren)
2. Lakukan 3-5 pukulan berat semasa suhu kekal melebihi 1000°C
3. Teruskan penempaan sehingga logam mencapai 870°C (merah ceri sederhana)
4. Kembali ke penempaan untuk pemanasan semula sebelum bahan jatuh di bawah 800°C
5. Ulangi kitaran sehingga bentuk yang diingini tercapai

Keperluan Prapemanasan dan Rendam

Penempaan besar dan keluli aloi tinggi memerlukan pemanasan awal terkawal untuk mengelakkan kejutan haba. Sebuah penempaan yang menimbang 50kg hendaklah dipanaskan hingga 400-600°C sebelum terdedah kepada suhu penempaan penuh, dengan kadar pemanasan terhad kepada 100-200°C sejam untuk peringkat pertama. Masa rendaman pada suhu penempaan memastikan keseragaman suhu di seluruh keratan rentas, dikira pada 1 minit setiap 25mm ketebalan untuk keluli karbon, lebih lama untuk keluli aloi dengan kekonduksian haba yang lebih rendah.

Pertimbangan Khas untuk Keluli Aloi

Elemen pengaloian mengubah julat suhu dan tingkah laku penempaan dengan ketara. Setiap elemen mempengaruhi suhu perubahan fasa dan ciri kerja panas dengan cara tertentu.

Kesan Unsur Aloi Biasa

Chromium (hadir dalam keluli alat dan keluli tahan karat) mengecilkan julat penempaan dan meningkatkan risiko keretakan permukaan. Keluli dengan kromium 12-18% memerlukan suhu permulaan sebanyak 1150-1200°C dan tidak boleh dikerjakan di bawah 925°C untuk mengelakkan pembentukan fasa sigma. nikel meningkatkan kebolehkerjaan panas dengan meluaskan julat austenit, membolehkan suhu kemasan lebih rendah sekitar 790°C tanpa risiko retak.

Molibdenum and tungsten meningkatkan keperluan suhu penempaan dengan ketara, dengan beberapa keluli berkelajuan tinggi memerlukan suhu permulaan sebanyak 1200-1260°C . Unsur-unsur ini juga memperlahankan penyebaran, memerlukan masa rendaman yang lebih lama—sehingga 2 minit setiap ketebalan 25mm . Vanadium membentuk karbida yang menentang pembubaran, mewujudkan penumpu tegasan setempat semasa penempaan melainkan suhu melebihi 1150°C.

Parameter Penempaan Keluli Tahan Karat

Keluli tahan karat austenit (siri 304, 316) memberikan cabaran unik disebabkan kekonduksian terma yang rendah—kira-kira 40% daripada keluli karbon . Ini mewujudkan kecerunan suhu yang ketara, memerlukan kadar pemanasan yang perlahan dan rendaman berpanjangan. Julat penempaan 1040-1200°C mesti dipatuhi dengan ketat, kerana bekerja dalam julat 480-870°C memendakan karbida kromium, mengurangkan rintangan kakisan dengan teruk. Tidak seperti keluli karbon, keluli tahan karat menyediakan penunjuk warna visual yang lemah kerana ciri oksida permukaan, menjadikan penggunaan pyrometer penting.

Kawalan Suhu Selepas Penempaan

Fasa penyejukan selepas penyiapan penempaan secara kritikal menjejaskan struktur mikro dan sifat akhir. Penyejukan yang tidak betul menghasilkan tegasan sisa, meledingkan atau pengerasan yang tidak diingini yang menyukarkan operasi pemesinan berikutnya.

Strategi Penyejukan Terkawal

Bagi kebanyakan penempaan keluli karbon, menyejukkan dalam udara pegun dari 650°C menghasilkan hasil yang mencukupi, mewujudkan struktur normal yang sesuai untuk pemesinan. Bentuk kompleks mendapat manfaat daripada pengebumian dalam bahan penebat (vermikulit, kapur, atau abu kayu) untuk memperlahankan penyejukan kepada lebih kurang 50°C sejam , mengurangkan kecerunan tegasan haba. Keluli karbon tinggi (melebihi 0.6% C) dan banyak keluli aloi mesti disejukkan perlahan-lahan untuk mengelakkan transformasi martensit, yang menyebabkan keretakan; penempaan ini menyejukkan dalam relau pada kadar terkawal 20-30°C sejam dari 870°C hingga 540°C.

Keperluan Melegakan Tekanan

Penempaan besar melebihi 100mm dalam mana-mana dimensi mengumpul tegasan sisa yang ketara semasa penyejukan, tanpa mengira kaedah penyejukan. Rawatan haba pelepasan tekanan pada 580-650°C selama 1-2 jam setiap ketebalan 25mm mengurangkan tegasan ini dengan 80-90% , meningkatkan kestabilan dimensi semasa pemesinan. Langkah perantaraan ini adalah wajib untuk komponen ketepatan dalam aeroangkasa dan aplikasi penjanaan kuasa, di mana toleransi herotan diukur dalam seperseratus milimeter.

Pertimbangan Keselamatan dan Alam Sekitar

Suhu penempaan menimbulkan bahaya terma yang serius yang memerlukan protokol keselamatan yang komprehensif. Logam pada 1150°C menyampaikan haba sinaran yang mencukupi untuk menyebabkan terbakar tahap kedua pada jarak 1 meter dalam masa 30 saat pendedahan berterusan. Peralatan pelindung diri yang betul termasuk apron aluminized atau kulit yang dinilai untuk haba sinaran, pelindung muka dengan penapis 5-8 naungan, dan sarung tangan berpenebat yang mampu menahan sentuhan ringkas dengan permukaan 650°C.

Menempa atmosfera menghasilkan karbon monoksida, sulfur dioksida, dan asap logam yang memerlukan pengudaraan yang mencukupi. Operasi perindustrian mengekalkan 10-15 pertukaran udara setiap jam di kawasan penempaan, dengan tudung tangkap ekzos tempatan diletakkan untuk memintas produk pembakaran yang semakin meningkat. Pembentukan skala menghasilkan pelepasan zarah; operasi penempaan tunggal pada bilet 10kg boleh menjana 100-200 gram skala besi oksida , yang menjadi bawaan udara apabila tercabut dengan memalu.

Kecekapan tenaga bertambah baik dengan pengurusan suhu yang betul. Bahan yang terlalu panas sebanyak 100°C membazir lebih kurang 8-12% bahan api tambahan setiap kitaran haba, manakala pemanasan semula yang berlebihan disebabkan perancangan aliran kerja yang lemah boleh menggandakan penggunaan tenaga. Penempaan gas moden mencapai kecekapan terma 25-35%, manakala sistem aruhan mencapai 65-75%, menjadikan pemilihan peralatan sebagai faktor penting dalam kos operasi dan kesan alam sekitar.